Нановыступ сделал источник электронов монохроматическим, ярким и стабильным

Это сделает устройство пригодным для квантовых технологий

Физики из Германии и США создали источник электронов с чрезвычайно узкой (до 16 миллиэлектронволь) энергетической шириной излучения, высокой яркостью и стабильностью. Им удалось добиться этого с помощью крохотного нановыступа на конце тонкой ниобиевой иглы. Новое устройство не только поможет исследовать молекулярные резонансы в образцах, но и будет способно излучать электроны с когерентностью, достаточной для использования их в квантовых технологиях. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Изобретение электронного микроскопа совершило революцию в физике, химии и биологии. Его главным преимуществом по сравнению с оптическим микроскопом стала возможность фокусировки электронного луча в пятно, размер которого существенно ниже оптического дифракционного предела. Рассеиваясь на очень маленьких объектах, электроны способны формировать изображения с поверхности образцов, так и со всего объема.

Сегодня разрешение электронных микроскопов достигло атомных и субатомных масштабов, что позволяет видеть все атомы и их положения в образце. Но дело не ограничивается упругим рассеянием. Электронные пучки способны ударно возбуждать в веществе резонансы самой различной природы, благодаря высокому контролю кинетической энергии заряженных частиц. Эта идея лежит в основе спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (EELS).

Отдельный интерес представляет применение метода EELS к исследованию колебательной энергетической структуры молекул. Проблема заключается в том, что для этого энергетическое разрешение электронного пучка должно быть порядка нескольких миллиэлектронвольт, в то время как современные микроскопы разгоняют электроны до нескольких сотен килоэлектронвольт. Существующие наработки пытаются достичь такой точности, однако это происходит ущерб яркости электронного источника или стабильности.

Найти компромисс удалось группе физиков из Германии и США под руководством Александера Стибора (Alexander Stibor) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Они изготовили источник полевой эмиссии электронов на основе ниобиевой иглы с крохотным нановыступом на конце. Такая схема позволила добиться очень малого энергетического разрешения вместе с высокой яркостью, малым углом расхождения и высокой стабильностью.

Все источники электронов (электронные пушки) можно разделить на два больших класса, согласно тому, по какому принципу происходит выход зарядов с поверхности. В термоэлектронных источниках нагрев рабочего тела приводит к тому, что часть электронов приобретает достаточно большую кинетическую энергию, чтобы совершить работу выхода. Вместо этого в источниках полевой эмиссии к поверхности катода прикладывается электрическое поле, создающее барьер. Его электроны преодолевают через туннелирование согласно законам квантовой механики.

Группа Стибора остановила свой выбор на втором типе источников. Конечно, вероятность туннелирования в них все еще зависит от энергии электронов. Более того, именно она определяет энергетическую ширину электронного излучения с помощью распределения Ферми — Дирака. При этом, чем меньше температура, тем более резок край этого распределения, а значит, тем более узкую ширину можно получить. По этой причине источник авторов работал при температуре 5,9 кельвин.

Однако, этого недостаточно, чтобы сделать эмиссию по-настоящему энергетически узкой. Чтобы добиться цели, физики с помощью сложного пятиступенчатого процесса, включающего электроэрозийную обработку, электрохимическое травление, фрезеровку ионным пучком и отжиг, добились формирования тончайшего (1,5 нанометра) выступа на кончике ниобиевой иглы, радиус закругления которой был равен 25 нанометрам.

Нановыступ играл роль промежуточного провала в кулоновском барьере, благодаря чему там формировался резонансный уровень. Физики могли управлять соотношением энергий этого уровня и уровня Ферми в игле, меняя, как напряжение на игле, так и приложенное электрическое поле. Тестируя рождаемые пучки в полусферическом анализаторе с энергетическим разрешением в три миллиэлектронвольта, они нашли условие, при котором ширина излучения составила всего 16 миллиэлектронвольт.

Авторы также проверили и остальные свойства нового источника. Так, специфичная геометрия иглы и нановыступа привела к довольно узкому — 3,7 градуса — углу излучения, а его яркость составила 3,8 × 108 ампер, деленных на квадратный метр, стерадиан и вольт, что существенно лучше, чем доступные коммерческие реализации. Новый источник показал высокую стабильность: в течение нескольких часов он испускал 4,1 наноампера тока с энергетической шириной 69 миллиэлектронвольт.

Такая узкая ширина полосы испускания побудила физиков оценить то, насколько они приблизились к фундаментальному пределу, связанному с неопределенностью Гейзенберга. Оказалось, что неопределенность импульса частиц, помноженная на размер нановыступа всего в два раза превышает половину постоянной Планка. Это говорит о высоком уровне когерентности электронов, что позволит применять новый источник не только в методе EELS, но и в экспериментах по квантовой информатике и квантовой метрологии с участием заряженных частиц.

Технологическая база для последних областей ширится с каждым годом. Недавно мы рассказывали, как физики запутали электроны в кристаллах, а также как планируют запутывать свободные электроны со светом.

Еще кое-что

Кроме электронного микроскопа дотянуться до нанометрового разрешения способен и другой тип микроскопов — зондовые. За изобретение этих разных приборов была вручена одна Нобелевская премия за 1986 год. Только первый сканирующий зондовый микроскоп был создан в 1981 году, а первый электронный микроскоп — аж в 1932 году.

+1 повод задуматься от N + 1 и Альфа-Банка

+1 повод задуматься от N + 1 и Альфа-Банка

Реклама: ООО «ОМД Эвиденс», ИНН 7727306019.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Электронный микроскоп: эпизод I

Мнение редакции может не совпадать с мнением автора

Мы начинаем публиковать блог предпринимателя, специалиста в области информационных технологий и по совместительству конструктора-любителя Алексея Брагина, в котором рассказывается о необычном опыте — вот уже год как автор блога занят восстановлением сложного научного оборудования — сканирующего электронного микроскопа — практически в домашних условиях. Читайте о том, с какими инженерно-техническими и научными задачами пришлось столкнуться Алексею и как он с ними справился.